(57)【要約】  患者の行動範囲を制限せず、生体に無害であり、胃又は腸内において十分な発電量が得られる発電システムと、その発電システムを搭載し、使用後に回収不要の使い捨て可能な医療用カプセル装置を提供する。電源システムは、カプセル装置に搭載され、カプセル本体の外壁面に設けられた少なくとも２つの電極、アルミニウム電極と触媒担炭素電極等からなる電極対を備え、胃液又は、腸液からなる電解質溶液に浸漬して発電し、カプセル装置内の構成部位に電源を供給する。
2011092936.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
耐酸性を有する水密なカプセルと、
前記カプセルの外壁面に露呈するように設けられた、標準電極電位の差を有する異なる部材からなる少なくとも１つの電極対と、
前記カプセル内に配置され、前記電極対と接続して起電した電源を取り出し供給する電源部と、を備えて、
消化器内容物を電解質溶液としたボルタ電池として構成されていることを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記電極対において、
陰極となる第１の電極が、アルミニウムにより形成され、
陽極となる第２の電極が、白金、金、銀及び炭素を含む金属材料又は炭素材料のうちのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記電極対において、
それぞれの電極が、複数段の凸部ラインを有するストライプ形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記電極対において、
電極が前記消化器内容物に対して非耐性の両性金属で形成された場合に、前記電極を覆うように、前記消化器内容物に対して溶解性を有する材料により任意の厚さに形成された薄膜を有することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項５】
前記電極対において、
前記消化器内容物を保持する多孔体薄膜により前記電極対が覆われていることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項６】
陰極となる第１の電極が、アルミニウム電極であり
陽極となる第２の電極が、触媒担炭素電極である電極対を備え、
腸液からなる電解質溶液に前記電極対を浸漬して、発電する発電部を構成することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項７】
耐酸性を有する水密なカプセルと、
前記カプセルの外壁面に露呈するように設けられた、アルミニウム電極と、触媒担炭素電極とからなる少なくとも１つの電極対と、
前記カプセル内に配置され、前記電極対と接続して起電された電源を取り出し供給する電源部と、を備えて、
消化器内容物を電解質溶液としたボルタ電池として構成されていることを特徴とする電源システム。
【請求項８】
前記電極対において、陽極となる触媒担持炭素電極は、導電性炭素材料上に貴金属微粒子を担持した物質であることを特徴とする請求項６に記載の電源システム。
【請求項９】
前記触媒担持炭素電極の炭素電極に用いる材料は、導電性カーボンブラック、カーボンブラック及びアモルファスカーボンのコンポシット、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、これらの混合物及び、これらをカーボンペーパーやカーボンクロスからなる導電性を有する基材に散布したもののいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電源システム。
【請求項１０】
前記貴金属微粒子は、金、白金、パラジウム、ロジウム及び、銀のうちのいずれかであることを特徴とする請求項８に記載の電源システム。
【請求項１１】
前記触媒担炭素電極が、Ｐｔ担持カーボン電極、ＡｕＰｔ担持カーボン電極、Ａｕ担持カーボン電極、ＰｄＰｔ担持カーボン電極及び、Ｐｄ担持カーボン電極のうちのいずれかからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の電源システム。
【請求項１２】
前記アルミニウム電極及び前記触媒担炭素電極は、
積み重ねられた複数の電極片と、
前記電極片の間に介在し、前記消化器内容物により溶解する部材からなる複数の介在膜と、
前記複数の電極片の一端を電気的に接続する共通配線と、
で構成される積層構造電極を成し、
上層からの前記介在膜の溶解により、露呈する電極片より前記共通配線から切り離されることを特徴とする請求項６又は７に記載の電源システム。
【請求項１３】
耐酸性を有する水密なカプセルと、
カプセル外壁面に露呈するように設けられた、標準電極電位の差を有する２種類の異なる部材からなる少なくとも１つの電極対を備えて、消化器内容物内で起電した電源を取り出し供給を行う電源システムと、
撮影対象を結像するレンズと、
撮影視野を照明するための複数の発光素子と、
前記レンズに結像された光学像を光電変換し、画像信号を生成する撮像センサと、
前記光学センサにより生成された画像信号の補正処理を施し無線通信用の情報信号に変換する処理部と、
前記処理部からの情報信号を外部に発信するアンテナと、
を備えることを特徴とする医療用カプセル装置。
【請求項１４】
前記医療用カプセル装置は、更に、
任意の薬液を貯留する薬液シリンダと、
ガスを圧縮して収容するタンクと、
前記薬液を外部に向けて噴出するノズルと、
前記タンクと前記薬液シリンダとを連結する通路に設けられた第１のバルブと、
前記薬液シリンダと前記ノズルとを連結する通路に設けられた第２のバルブと、で構成され、
前記撮像センサにより撮像された画像に従うタイミングにより前記前記第１，第２のバルブを開放し、前記ガスが前記薬液シリンダ内に貯留された薬液を前記ノズルから噴出させるドラッグデリバリ機能部を具備することを特徴とする請求項１３に記載の医療用カプセル装置。
【請求項１５】
前記医療用カプセル装置は、更に、
内部が空の前記薬液シリンダと、
内部が真空状態の前記タンクと、を具備し、
前記撮像センサにより撮像された画像に従うタイミングにより前記第１，第２のバルブを開放し、前記タンクの真空状態による負圧により、前記ノズルの周囲に存在する気体及び液体の両方いずれか又は両方を前記シリンダ内に引き込み貯留するサンプリング機能部を具備することを特徴とする請求項１４に記載の医療用カプセル装置。
【請求項１６】
耐酸性を有する水密なカプセルと、
前記カプセルの外壁面に露呈するように設けられた、アルミニウム電極と、触媒担炭素電極とからなる電極対を備え、腸液からなる電解質溶液に前記電極対を浸漬して、発電した電源を取り出し供給を行なう電源システムと、
撮影対象を結像するレンズと、
撮影視野を照明するための複数の発光素子と、
前記レンズに結像された光学像を光電変換し、画像信号を生成する撮像センサと、
前記光学センサにより生成された画像信号の補正処理を施し無線通信用の情報信号に変換する処理部と、
前記処理部からの情報信号を外部に発信するアンテナと、
を備えることを特徴とする医療用カプセル装置。
【請求項１７】
前記カプセルの外壁面に露呈するように設けられた前記アルミニウム電極及び前記触媒担炭素電極は、
前記外壁面から積み重ねられた複数の電極片と、
前記電極片の間に介在し、前記消化器内容物により溶解する部材からなる複数の介在膜と、
前記複数の電極片の一端を電気的に接続し、発電した電源を供給するための共通配線と、
で構成される積層構造電極を成し、
上層からの前記介在膜の溶解により、露呈する電極片より前記共通配線から切り離されることを特徴とする請求項１６に記載の医療用カプセル装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体内に存在する消化器内容物を用いて発電する電源システムを搭載し、生体内を流下する際に、周囲の情報検出及び医療処置を行う体内飲み込み型医療用カプセル装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、カプセル形状に形成された各種の医療用カプセル装置が知られている。このカプセル装置として、代表的なカプセル内視鏡は、撮像機構と電池をカプセル内に実装して、電池で撮像機構を駆動させて撮像している。内蔵させる電池の容量によって撮影枚数が制限され、また駆動機構の導入も制限されている。さらに、一般的に使用されている小型電池は、単なる不燃ごみとして廃棄できないため、体外に排出されて回収した後、カプセル内視鏡から電池を取り出して、分別し廃棄している。【０００３】
この対策として、電池に換わって、カプセル装置内に発電システムまたは給電システムを組み込み、投与した後、生体外から光、電波又は電磁波等を送信して、カプセル装置内で電気エネルギを発生させて駆動する構成も提案されている。例えば、特開２００１−２３１１８７号公報では、医療用カプセル装置に体外から赤外光を照射することで給電するシステムが提案されている。また、特開平９−３２７４４７号公報には、カプセル装置内に発電機を実装した構成も提案されている。  
更に、特開２００７−２００７３９号公報においては、胃内部溶液を電解液（電解質）として利用して発電する技術も提案されている。
【発明の概要】
【０００４】
前述した特許文献１にように、体外から光や電気エネルギを受けて電源を発生させる従来の給電システムは、患者を検査が完了するまで、光源の照射範囲又は磁場が作用する範囲内に滞在していなければならず、患者の動きが著しく制限されている。
【０００５】
また、特許文献２が提案する患者の体の動きを利用した発電システムにおいて、エレクトレット振動発電等も知られている。しかし、撮像のみであれば、足り得る発電量であったが、さらなるカプセルの小型化、画像の高画質化及び、多機能な性能を搭載して消費電力がより大きくなった場合には、発電量が不足する虞もある。
【０００６】
更に、特許文献３では、胃内部溶液を電解液とした胃酸発電池が提案されているが、開示される技術が胃内部における発電に限定されている。しかし、医療用カプセル装置による検査は、胃に限らず十二指腸や小腸の検査に需要が高い。
【０００７】
また、特許文献３で提案されている胃酸発電池の電極には、亜鉛が用いられており、一般ごみとしては廃棄できず、従来と同様に一旦、回収して分別する必要がある。この電池を取り出すための分別作業に多くの手間やコストを費やすこととなる。更に、このような電極を用いた電池は、分極即ち、陽極に水素の気泡が発生するため、この気泡を除去しないと起電力が低下する。提案されている胃酸発電池は、電極を対向させてケース内に収めた構造であるため、消化液即ち、電解液の拡散が難しく不十分な事態が想定され、また生じた気泡の除去も難しい。このため、起電力が低下する虞がある。
【０００８】
そこで本発明は、流下する生体の胃又は、十二指腸、大腸及び小腸内において、十分な発電量が得られる発電池を内蔵し、使用後に回収不要の使い捨て可能である体内飲み込み型医療用カプセル装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明に従う実施形態による電源システムは、耐酸性を有する水密なカプセルと、カプセル外壁面に露呈するように設けられた、標準電極電位の差を有する異なる部材からなる少なくとも１つの電極対と、前記カプセル内に配置され、前記電極対と接続して起電した電源を取り出し供給する電源部と、を備えて、前記消化器内容物を電解質溶液としたボルタ電池として構成する。【００１０】
また、実施形態による電源システムが搭載される医療用カプセル装置は、耐酸性を有する水密なカプセルと、カプセル外壁面に露呈するように設けられた、標準電極電位の差を有する２種類の異なる部材からなる少なくとも１つの電極対及び、該電極対と接続して起電した電源を取り出し出力する電源供給を行う電源システムと、撮影対象を結像するレンズと、撮影視野を照明するための複数の発光素子と、前記レンズに結像された光学像を光電変換し、画像信号を生成する撮像センサと、前記光学センサにより生成された画像信号の補正処理を施し無線通信用の情報信号に変換する処理部と、前記処理部からの情報信号を外部に発信するアンテナと、を備えている。【００１１】
本発明によれば、流下する生体の胃、大腸及び小腸内において、十分な発電量が得られる発電池を内蔵し、使用後に回収不要の使い捨て可能である体内飲み込み型医療用カプセル装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係る医療用カプセル装置の外観構成を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図ＡのＡ−Ａ方向におけるカプセル装置の断面構成を示す図である。
【図２】図２は、カプセル装置に搭載される電源システムの概念的な構成を示す図である。
【図３】図３は、図１ＡのＡ−Ａ方向における第１の実施形態の第１の変形例の電極の断面形状を示す図である。
【図４】図４は、図１ＡのＡ−Ａ方向における第１の実施形態の第２の変形例の電極の断面形状を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、第１の実施形態における第３の変形例に係るカプセル装置の外観構成を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ方向における電極の断面構成を示す図である。
【図６】図６は、第１の実施形態における第４の変形例に係るカプセル装置における電源システムの断面構成を示す図である。
【図７】図７は、第１の実施形態における第５の変形例に係る電源システムの電極に温度センサを設けた構成を示す図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の外観構成を示す図である。
【図９】図９は、第３の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の断面構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の内部構成を示す図である。
【図１１】図１１は、第５の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の内部構成を示す図である。
【図１２】図１２は、第６の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の内部構成を示す図である。
【図１３】図１３は、第７の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図１４】図１４は、第７の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電圧の特性を示す図である。
【図１５】図１５は、第７の実施形態の電源システムにおける電極面積と発電電流との関係を示す図である。
【図１６】図１６は、比較例として、アルミニウム電極とＰｔ電極の電極対における経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図１７】図１７は、比較例として、アルミニウム電極とＰｔ電極の電極対における経過時間に対する発電電圧の特性を示す図である。
【図１８】図１８は、第８の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図１９】図１９は、第８の実施形態の変形例の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図２０】図２０は、第９の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図２１】図２１は、第１０の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図２２】図２２は、第１１の実施形態の電源システムによる経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【図２３】図２３は、第１２の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置の内部構成を示す図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、第１２の実施形態の電源システムにおけるカプセル本体上に形成する積層構造電極の製造工程の一例を示す図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、図２４Ａに続く積層構造電極の製造工程の一例を示す図である。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、図２４Ｂに続く積層構造電極の製造工程の一例を示す図である。
【図２４Ｄ】図２４Ｄは、図２４Ｃに続く積層構造電極の製造工程の一例を示す図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、第１２の実施形態の電源システムにおける積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、図２５Ａに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｃ】図２５Ｃは、図２５Ｂに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｄ】図２５Ｄは、図２５Ｃに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｅ】図２５Ｅは、図２５Ｄに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｆ】図２５Ｆは、図２５Ｅに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２５Ｇ】図２５Ｇは、図２５Ｆに続く積層構造電極の製造工程の他の例を示す図である。
【図２６】図２６は、第１の実施形態における人工胃液を電解液とした電池における時間に対する発電量の特性を示す図である。
【図２７】図２７は、第１の実施形態における人工腸液を電解液とした電池における時間に対する発電量の特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。  
［第１の実施形態］  
まず、本発明の電源システムの概念について説明する。図１Ａには、本発明の第１の実施形態に係る、生体内に投与された状態の体内飲み込み型医療用カプセル装置（以下、カプセル装置と称する）の外観構成を示す図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ方向におけるカプセル装置の断面構成を示す図である。また、図２は、電源システムの概念的な構成を示す図である。図３は、図１ＡのＡ−Ａ方向における第１の変形例の電極の断面形状を示している。
【００１４】
以下に説明において、消化器内容物とは、電解物又は電解液として機能する消化器内に内包されるすべての物質を示唆する。具体的には、口、胃及び腸等から分泌される唾液や胃液等の消化器分泌物又は、消化器からの老廃物及び口や鼻から摂取された物質の混合物である。
【００１５】
図１Ａに示すカプセル装置１は、生体８内に投与する際に、容易に飲み込むことができる形状を成していればよい。例えば、薬剤を包含するカプセル投薬等のように、前後を丸めた俵形状を想定している。勿論、他にも、内部に組み込む装置に応じて、球形状や円板形状等も容易に適用することができる。
【００１６】
本実施形態では、カプセル本体５を前方カプセル５ａと後方カプセル５ｂとに二分割して、これらが水密となるように接着して構成する。少なくとも前方カプセル５ａが窓となる透明材料により形成される。これらのカプセル部位は、例えば、消化器分泌物７などの酸に耐性を有する樹脂材料が用いられている。また、全体を同一部材で構成する必要はなく、透明樹脂部材（窓部分）と、他の部材例えばセラミックス部材等の種々の異なる部材との組み合わせで構成してもよい。
【００１７】
次に、カプセル装置１に設けられる電源システムについて説明する。  
電源システムは、カプセル本体５の外壁面に設けられて全てが露呈する、後述する材質の異なる金属からなる少なくとも２つの電極２，３と、これらの電極２，３が発生させた起電力から予め定めた定電圧の電源を生成する電源部６と、で構成される。これらの電極２，３と、周囲にある消化器内容物７を電解液として用いれば、ボルタ電池と称される公知な電池構成となる。このボルタ電池を利用する電極２，３の間に発生した起電力を用いて、電源部６がカプセル装置１の図示してない各駆動部に電源として供給する。
【００１８】
一般的に、ボルタ電池の起電力は、これらの２種類の異なる金属からなる電極の標準電極電位の差で決定される。本発明による実施形態では、陰極となる電極２として、両性金属であるアルミニウム（アルミ合金も含む）を選定している。これは、陰極としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属が好適するが、体内に投与するため、生体に与える影響が小さくなければならないことや、酸性である胃の内部でも、塩基性である十二指腸内部でも発電可能な電極であった方がよい。
【００１９】
一方、陽極３は、水素よりも標準電極電位が大きい電極を用いても、実際の電極反応は電極自身の反応ではなく、電極における水素イオンの還元反応が支配的となっている。従って、陽極となる電極３の素材は、水素よりも標準電極電位が大きいものであれば、特に限定される必要は無い。しかし、体内における安全性を考慮すれば、白金、金、銀等の貴金属もしくは炭素電極が好適する。炭素電極に用いる炭素材料は、導電性が高ければ特に限定する必要は無いが、具体例としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック（商品名：ライオン）に代表される導電性カーボンブラック、カーボンブラックとアモルファスカーボンのコンポシット、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ又は、それらの混合物を採用することができる。
【００２０】
尚、電極２と電極３の面積は、必ずしも同じである必要はなく、例えば、電極２が電極３よりも大きな面積であってもよい。また本実施形態では、上から見た電極２，３の形状は、図１Ａでは、矩形としたが、勿論、限定されるものではなく、円形、楕円形、トラック形、多角形及び三角形のうちのいずれであってもよく、更にこれらを組み合わせて形成してもよい。これら以外にも、あるパターン、例えば、互いの櫛歯がスペースを空けて噛み合うように、電極２，３を櫛形状に形成してもよい。
【００２１】
これらの電極２，３の製造方法は、一般的な成膜技術を用いることができる。例えば、半導体製造技術で用いられているドライ成膜技術として、蒸着成膜、スパッタリング成膜、ＥＣＲ成膜又は、ＣＶＤ成膜等が容易に適用することができる。また、ウェット成膜技術としては、メッキ成膜が適用できる。更に、電極が炭素電極であれば、例えば、伝導性カーボンブラックインクを用いた印刷により形成することができる。また、カプセル本体５の外壁面に直接形成するのではなく、別途に電極を形成した後、カプセル本体５の外壁面に接着してもよい。その接着剤としては、医療に用いられているものが好ましい。
【００２２】
前述したように、ボルタ電池は、分極、すなわち陽極に発生した水素の気泡による起電力の低下がある。この分極を防ぐために、本発明による実施形態では、電極２，３を、図１Ａに示すように、カプセル装置１の外壁面に形成する構造を採用することにより、カプセル装置の流下により電極表面の溶液の停留が防止され、電極表面に付着する水素気泡を速やかに除去する。尚、従来の手法としては、電極３に減極剤を散布する方法や、分極が起こり難い白金を用いるなどの手法が知られている。しかし生体内では、減極剤は用いないほうが望ましい。また、白金電極の分極防止効果も充分ではない。
【００２３】
尚、電極２，３は、発電時に医療用カプセル装置１の壁面に露出していれば発電に支障が無いため、非発電時には電極上にシャッターを設置することや、後述するように、電極保護のための消化可能な材料でできた薄膜で覆うことは機能上、全く問題が無い。  
また、電源部６は、一般的な回路構成、例えば、増幅回路及び定電圧回路（又は、定電流回路）が１チップ上に集積形成された集積回路である。尚、出力を安定させるために、入力側にバッファとして機能するキャパシタ（電荷蓄積素子）を配置してもよい。
【００２４】
実際の発電量は、図２６及び図２７に示すように、人工胃液および人工腸液をもちいて検証した。ガラス製のビーカーに１０ｍの人工胃液および人工腸液を入れて、１ｃｍ２の面積のアルミニウム電極と０．０２ｃｍ２のＰｔ電極を浸漬し、発電量（発電電流及び発電電圧）を調べた。
【００２５】
また、電池の負荷として４８Ωの抵抗が接続された。人工胃液では最大発電流が０．７ｍＡであり、８時間経過後の発電量は０．０６ｍＡであった。発電電圧は１．２５Ｖであり８時間経過後も劣化は起こらなかった。  
人工胃液では最大発電流が０．１２ｍＡであり、８時間経過後の発電量は０．０２ｍＡでたった。発電電圧は１．２Ｖであり８時間経過後もほとんど劣化は起こらなかった。
【００２６】
次に、本発明の第１の実施形態の電源システムについて説明する。  
本実施形態のカプセル装置は、主に胃で作動するための電源システムであり、図１Ｂに示した構成と同様である。  
この電源システムは、カプセル装置１の外壁面に、陰極として作用するアルミニウムで構成された電極２と、陽極として作用する炭素で構成された電極３とによる電極対を形成し、消化器内容物を電解物（電解液）とするボルタ電池を構成する。カプセル装置内部には、電源部６が配置され、それぞれの電極２，３とは、配線４ａ，４ｂにより接続されている。これらの配線４ａ，４ｂは、カプセル装置の内壁に露呈する電極２，３の一部分に溶着（又は、半田付け）して接続する。電源部６は、一般的な回路構成、例えば、増幅回路及び定電圧回路（又は、定電流回路）が１チップ上に集積形成された集積回路である。尚、出力を安定させるために、入力側にバッファとして機能するキャパシタ（電荷蓄積素子）を配置してもよい。
【００２７】
この電極内面側の露呈部分は、カプセル５ｂを内側から孔を空けて露呈させることができる。例えば、予めカプセル５ｂの電極形成領域内で外側から穴（有底孔）又は溝を切削しておき、この穴を埋めるようにスパッタリング成膜等により電極を形成する。電極２,３のサイズは、例えば、カプセル装置１の大きさがφ１１ｍｍ×長さ２６ｍｍであれば、各々１０×１０ｍｍ程度で形成する。その後、カプセル５ｂの内側から薄い底部分を削り取ることで、容易に露呈させることができる。
【００２８】
他の方法としては、このカプセル５ｂの内側に隙間無く嵌合する型を作成する。カプセル５ｂの形成時に電極形成予定のエリア内で少なくとも１つの貫通孔を開けた後、型をカプセル内側に嵌合する。その後、外側から孔が埋まるように電極を形成し、その型を引き抜けば、カプセル内側に電極が露呈している。
【００２９】
このような構成の電源システムは、胃の内部が消化器内容物７のひとつである、胃内容物で酸性となっているため、これを電解液としたボルタ電池により、電極２では、Al →  Al3+ + 3e-  の酸化反応が起こり、電極３では、還元反応が起こることで起電力が生ずる。
【００３０】
これらの電極２，３は、カプセル本体５の外面に露呈し、消化器内容物に浸漬していればよく、各種の変形、変更が可能である。例えば、電極２，３は、カプセル本体５の外面に作られた窪みや突起物に埋め込む場合には、その表面に露呈するように形成されていれば、別段の制限は無い。また、電極３は、炭素電極以外にも白金をはじめ他の各種貴金属により電極を形成してもよい。
【００３１】
これらの電極２，３の表面積は、カプセル装置１が必要とする電流の量によって設計すればよい。現在、実用化されているカプセル装置を例とする消費電力であれば、電極面積は、それぞれ０．２５〜２ｃｍ２で充分である。更に、大きな電流量が必要であれば電極表面積をより広くすればよい。実用化されているカプセル装置あれば、合計で最大面積６ｃｍ２程度までの電極を形成することが可能である。
【００３２】
次に、第１の実施形態における第１の変形例として、断面形状を変えた電極を有する電源システムについて説明する。この変形例では、電極を除き、前述した第１の実施形態における電源システムの構成と同等である。
【００３３】
［第１の実施形態の第１の変形例］  
第１の変形例のストライプ電極１１は、カプセル５の前後方向に向かう矩形の凸部が複数段のラインとして形成されたストライプ形状に形成されている。この形成方法としては、厚膜に形成した後、機械的に削り取ってもよいし、又はマスクした後、異方性エッチングにより除去してもよい。
【００３４】
このように矩形のストライプ電極１１を形成することにより、消化器内容物と接する表面積が拡大されるだけではなく、胃壁（腸壁）に接した際に電極表面のストライプの溝部分が胃壁に密着せずに、消化器内容物との接触するエリアが確保される。これにより、起電力の低下が防止できる。更に、カプセルの流下に伴い、矩形のフィンに沿って消化器内容物が後方に移動するため、発生した水素泡の離脱がより効率的となる。
【００３５】
更に、ストライプ電極１１は、ヒートシンクとしても機能させることができる。つまり、カプセル装置の各駆動部位により発生した熱を電極から放熱させる機能も有している。従って、電極の表面積の増加は、放熱のための面積が増加したことと同様であり、冷却に関する性能が向上する。
【００３６】
［第１の実施形態の第２の変形例］  
次に、第１の実施形態における第２の変形例として、断面形状を変えた電極を有する電源システムについて説明する。この変形例では、電極を除き、前述した第１の実施形態における電源システムの構成と同等である。図４は、図１ＡのＡ−Ａ方向における第２の変形例の電極の断面形状を示している。
【００３７】
第２の変形例のストライプ電極１２は、前述した第１の変形例のおける矩形断面のストライプ電極１１に対して、断面を曲面に形成している。形成方法としては、厚膜に形成した後、ウエットエッチング等の等方性エッチングにより曲面に形成する。勿論、必ずしも、曲面である必要はなく、ストライプの側面をテーパーに削り取った形状であってもよい。  
この第２の変形例は、前述した第１の変形例と同等の作用効果を得ることができる。
【００３８】
［第１の実施形態の第３の変形例］  
次に、第１の実施形態における第３の変形例として、消化器内容物を保持する機能を備えた電極を有する電源システムについて説明する。この変形例では、電極を除き、前述した第１の実施形態における電源システムの構成と同等である。図５Ａは、第３の変形例に係るカプセル装置の外観構成を示す図である。図５Ｂは、図５ＡのＢ−Ｂ方向における電極の断面構成を示す図である。
【００３９】
この第３の変形例は、電極２，３に対して、任意の距離の離間スペース１５を空けてメッシュカバー１３，１４を設けた構成である。これらのメッシュカバー１３，１４は、電極２，３を覆う形状であり、前後方向（図４に示す電極の短辺側）に離間スペース１５の開口を設けて、側面側（図４に示す電極の長辺側）で接続している。
【００４０】
これらのメッシュカバー１３，１４は、消化器内容物７を保持し、生体内の在留する時には、常に電極２，３が消化器内容物（又は、消化器内溶液）７に浸っているように作用する。また、前後方向を開口する離間スペース１５を設けたのは、生体内を流下する際に、常に新しい消化器内容物７が離間スペース１５に入ってくるように考慮しているものである。また、消化器内容物７が前から後へ離間スペース１５を流れることで、電極上に生じた気泡を後方に押し出すことができる。
【００４１】
また、メッシュカバー１３，１４は、目の大きさは、適宜選択することができる。また、１枚のメッシュにおいて、前方では入り込んだ消化器内容物７を保持しやすいように、細かい目のメッシュを採用し、後方では、気泡が流れ出やすいように粗い目のメッシュを採用するなど、異なる網目の大きさを組み合わせてもよい。また、前方の消化器内容物７の入口側の開口面積を出口側の開口面積よりも大きくすることで、消化器内容物７を吸い込み易くして、且つ出口から押し出されやすいように形成してもよい。
【００４２】
また、本変形例では、消化器内容物７を保持するために、メッシュカバーを採用したが、これに限定されるものではなく、任意の径の孔が多数開口されたパンチボードでもよい。  
尚、メッシュカバー１３，１４は、起電に寄与させるならば、金属（導電）部材例えば、電極と同じ材料を用いればよい。一方、消化器内容物７を保持するのみであれば、他の部材、例えば樹脂材料により形成してもよい。
【００４３】
以上説明したように、電極２，３上方に間隔を開けて、メッシュカバー１３，１４を設けることにより、生体内に在留するときに、電極２，３を常時、消化器内容物に浸すことができ、安定して起電を行うことができる。また、メッシュカバー１３，１４を電極２，３と同じ金属材料により形成することで、カプセル本体５における電極の形成占有面積を増やさずに、起電する電流量を増加させることができる。
【００４４】
［第１の実施形態の第４の変形例］  
次に、第１の実施形態における第４の変形例として、陰極及び陽極がそれぞれ複数の電極を有する電源システムについて説明する。この変形例では、電極を除き、前述した第１の実施形態における電源システムの構成と同等である。
【００４５】
図６は、第４の変形例に係るカプセル装置１における電源システムの断面構成を示す図である。  
第４の変形例は、カプセル本体５の外周を囲むように、複数の電極（陰極）１６と電極（陽極）１７が交互に形成される。電極１６，１７は、カプセル本体５の外壁面側に設けられた外電極１６ａ，１７ａと、内壁面側に設けられた内電極１６ｂ，１７ｂと、が孔又は溝を貫通して一体的になったボビン形状に形成される。勿論、電極１６，１７の外形形状は、適宜選択できる。
【００４６】
これらの内電極１６ａ，１７ｂは、ある程度の面積を有しているため、電源部６との配線４（４a1，４a2，４a3，４a4）による接続が容易となる。更に、カプセル本体５内に設けられた構成部位が発生した熱は、内電極１６ａ，１７ｂで受けて、孔又は溝を通じて外電極１６ｂ，１７ｂに伝熱され、更に、外電極１６ｂ，１７ｂから放熱される。
【００４７】
以上説明したように、このような電極構造により、カプセル本体５内の構成部位の駆動により発生した熱が効率よく、放熱することができる。尚、これらの電極１６，１７に、前述した第１乃至第３の変形例を容易に適用することができる。
【００４８】
［第１の実施形態の第５の変形例］  
次に図７を参照して、第１の実施形態における第５の変形例として、電源システムの電極に温度センサを設けた構成例について説明する。  
前述した第１乃至４の変形例においては、電極２，３が放熱する機能を持つことについて説明した。本変形例は、温度を測定するセンサ、例えば熱電対センサ１８を１つの電極２（３）の表面から突出又は、露呈するように設け、カプセル本体５内に温度測定部１９を配置した構成である。熱電対センサ１８を電極２（３）に設ける場合には、センサ周囲を断熱材で囲うように設けて、電極２（３）からの熱（構成部位の駆動により発生した熱）の影響を排除することが望ましい。  
本変形例によれば、通常状態では、測定できない生体の深部体温である内臓管内の温度を検査することができる。
【００４９】
［第２の実施形態］  
次に、第２の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置について説明する。  
図８は、主に十二指腸や小腸で作動するためのカプセル装置の外観構成例を示している。ここで、本実施形態の構成部位については、前述した第１の実施形態の構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００５０】
このカプセル装置１に搭載する電源システムとして、カプセル本体５の壁面には、陰極として作用するアルミニウムで構成された電極２２と、陽極として作用する炭素で構成された電極２３を形成し、消化器内容物を電解液とするボルタ電池を構成する。カプセル本体５内には、前述した電源部６が配置され、配線により接続されている。更に電極２１は、全面がゼラチン材料からなる薄膜（ゼラチン膜）２４で覆われている。カプセル装置２１は、生体内に投与された際に、ゼラチン膜２４が溶解するまで、電極２１に胃液等が付着することを防止する。
【００５１】
これにより、カプセル装置２１は、電極２２が胃液に接触する前に、十二指腸や小腸に到達し、発電を開始することができる。この時のゼラチン膜２４が溶解して、電極２２が露呈するまで時間は、膜の厚さを経験又は実験により得た情報に基づきに増減することで調整することができる。従って、投与した後、十二指腸や小腸に到達したタイミングでカプセル装置２１に電源を供給することができる。
【００５２】
一般に、十二指腸は、消化酵素であるトリプシンが有効に働くために、ｐＨが概ね、８−９程度の弱塩基性である。本実施形態において、電極２２をアルミニウムにより形成したのは、このような弱塩基性の条件であっても、両性金属であるアルミニウムは酸化される。従って、電極２２，２３は、電池として作動し、カプセル装置２１に対して電源を供給することができる。
【００５３】
尚、本実施形態のゼラチン膜２４は、他の材料により代用することも可能である。例えば、ゼラチン以外にも、でんぷん、寒天又は、糖などを材料とする薄膜でもよく、消化器内部で溶解又は分解されるものであれば制限無く用いることができる。
【００５４】
以上のように本実施形態では、電極２２のアルミニウムの表面が被膜されているため、空気（酸素）には直接的に晒されない。このため、保管時の電極の酸化を防止でき、薄膜が溶解した直後から正常値を出力する起電を行うことができる。更に、電極がアルミニウムにより形成できるため、貴金属材料に比べてコストを低くすることができる。また、本実施形態においても前述した第１乃至第３の変形例による電極やメッシュカバーを適用することができる。
【００５５】
［第３の実施形態］  
次に、第３の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置について説明する。  
図９は、主に大腸で作動するカプセル装置の断面構成を示している。ここで、本実施形態の構成部位については、前述した第１の実施形態の構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。  
このカプセル装置１における電源システムの電源部６（図示せず）は、前述した第１の実施形態と同じ構成である。
【００５６】
本実施形態のカプセル装置１は、カプセル本体５の外面に、陰極として作用するアルミニウムで形成された電極２２と、陽極として作用する炭素で構成された電極２３を形成し、消化器内容物を電解液とするボルタ電池を構成する。前述した第２の実施形態における電極と同等である。これらの電極２２，２３は、溶液保持のための多孔体薄膜２５に覆われ、更にゼラチン膜２４で覆われている。
【００５７】
このような構成により、ゼラチン膜２４は、投与した後、大腸に到達するまで間、溶解せずに胃液や小腸内の物質が電極２２，２３に付着することを防止する。そして、大腸に到達する頃に、ゼラチン膜２４が溶解して、消化器内容物が電極２２，２３に接して発電を開始する。この時、多孔体薄膜２５は、電極２２，２３が電解液で浸漬されるように保持して、大腸内で消化器内容物における電解液の水分量が少なくなった状態でも、電極２，３を常時、消化器内容物に浸すことができ、安定して起電を行うことができる。
【００５８】
更に、ゼラチン膜２４を用いることにより、前述した第２の実施形態における効果と同等の効果を得ることができる。また、本実施形態においても前述した第１乃至第３の変形例を適用することができる。
【００５９】
［第４の実施形態］  
次に、第４の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置について説明する。  
本実施形態は、本発明の電源システムを小腸で作動するカプセル内視鏡に適用した例である。図１０は、カプセル内視鏡３１の内部構成の一例を示す。ここで、本実施形態の構成部位については、前述した第１の実施形態の構成部位と同等のものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００６０】
このカプセル内視鏡３１に搭載する電源システムは、電極２，３及び電源部６で構成され、前述した第１乃至３の実施形態及び第１乃至４の変形例における電源システムと同等である。電極２，３は、例えば、各々１０ｍｍ×１０ｍｍ程度のサイズを想定している。
【００６１】
カプセル内視鏡３１は、生体に投入された後、消化器内で撮影対象（被写体）を結像するためのレンズ３２と、撮影視野を照明するための複数の発光素子（例えば、ＬＥＤ）３３と、レンズ３２と発光素子３３を保持するレンズホルダ３４と、レンズ３２に結像された光学像を光電変換して画像信号を生成するＣＭＯＳセンサ３５と、画像処理部及び無線信号変換部（ＡＳＩＣ）３６とアンテナ３７とを備えている。
【００６２】
撮影した画像信号は、ノイズ除去や画質に関わる種々の補正処理を行い、撮影に関する情報と共に、画像データとして生成され、無線通信用の情報信号に変換されて、生体外に配置された画像受信装置２０に送信される。撮像された画像の送信は、撮像期間中に、常時送信してもよいし、メモリを搭載して撮像した画像を一時的にストックしてある画像量となった際に送信してもよいし、又は予め定められた時間間隔で送信してもよい。
【００６３】
この電源システムを搭載したカプセル内視鏡３１を３６℃の恒温槽に設置した人工胃液（０．２％NaCl、０．０４％ペプシン、１M HClの含有でＰＨ３．０に調整）に浸漬する。人工胃液に浸漬されている電源システムが発生させた電源により、カプセル内視鏡３１の各構成部位を駆動し、撮像を実施する。撮像された画像は、アンテナ３７から送信して、外部機器のモニタ（ビューワー）で表示することで画像の撮影及び送信を確認した。  
以上のように、本発明の電源システムは、カプセル内視鏡に搭載して、これまでの酸化銀ボタン電池等の電池に変わって電源供給を行うことができる。
【００６４】
［第５の実施形態］  
次に、第５の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置について説明する。  
本実施形態は、本発明の電源システムを小腸で作動するカプセル内視鏡に適用した例である。図１１は、カプセル内視鏡４１の内部構成の一例を示す。ここで、本実施形態の構成部位については、前述した第４の実施形態の図１０に示す構成部位と同等に機能するものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。
【００６５】
このカプセル内視鏡４１に搭載する電源システムは、電極及び電源部で構成され、前述した第１乃至３の実施形態及び第１乃至４の変形例における電源システムと同等である。  
カプセル内視鏡４１は、レンズ３２と、複数の発光素子（ＬＥＤ）３３と、レンズホルダ３４と、レンズ３２に結像された光学像を光電変換して画像信号を生成するＣＣＤ３８と、画像信号に対してノイズ除去及び種々の補正処理を施すＤＳＰ（Digital signal processor）３９と、処理された画像データを無線信号に変換する無線送信モジュール４０と、アンテナ３７と構成される。
【００６６】
撮影した画像は、ＤＳＰ３９において、撮影に関する情報と共に、画像データとして生成され、無線送信モジュール４０で無線信号（無線通信用の情報信号）に変換されて、アンテナ３７を用いて、生体外に配置された画像受信装置２０に送信される。
【００６７】
このカプセル内視鏡４１においても、前述した第４の実施形態と同様に、上記人工胃液に浸漬させて、電源システムから電源を発生させてカプセル内視鏡４１を駆動し、撮像を実施する。撮像された画像は、アンテナ３７から送信して、外部機器（画像受信装置）のモニタで表示することで画像の撮影及び送信を確認した。
【００６８】
以上のように、本発明の電源システムは、カプセル内視鏡に搭載して、これまでの酸化銀ボタン電池等の電池に変わって電源供給を行うことができる。また、本実施形態のカプセル内視鏡は、従来構成のカプセル内視鏡に比べると、電池を外したスペースが生じるため、更に小型が実現できる。
【００６９】
［第６の実施形態］  
次に、第６の実施形態に係る電源システムを搭載するカプセル装置について説明する。  
本実施形態のカプセル装置は、カプセル本体内に、対象箇所に薬液を噴射するドラッグデリバリ機能部又は観察対象周囲の気体及び液体をサンプリングするサンプリング機能部と、内視鏡機能部と、を搭載するカプセル装置である。
【００７０】
図１２は、カプセル装置の内部構成の一例を示す。ここで、本実施形態の構成部位について、前述した第４の実施形態の図１０に示す構成部位と同等に機能するものには同じ参照符号を付して、その説明を省略する。  
このカプセル装置５１に搭載する電源システムは、電極２，３及び電源部６で構成され、前述した第１乃至３の実施形態及び第１乃至４の変形例における電源システムと同等である。
【００７１】
カプセル装置５１の内視鏡機能部は、前述した第４の実施形態と同等な構成を搭載している。即ち、内視鏡機能部は、レンズ３２と、発光素子（ＬＥＤ）３３と、レンズホルダ３４と、ＣＭＯＳセンサ３５と、ＡＳＩＣ３６と、アンテナ３７とを備えている。
【００７２】
また、ドラッグデリバリ機能部は、任意の薬液を収容する薬液シリンダ５２と、電磁バルブ５３と、圧縮炭酸ガスタンク５４、薬液投入ノズル５５と、で構成される。尚、電磁バルブ５３は、前述したＡＳＩＣ３６に設けられている制御部（図示せず）の指示により開閉される。
【００７３】
内視鏡機能部とドラッグデリバリ機能部を備えるカプセル装置５１は、生体内で撮影された任意の画像を外部から観察し、目標となる対象部位を定める。次に、その画像を確認しながら、外部から電磁バルブ５３を開くように指示する。電磁バルブ５３が開くと、圧縮されていた炭酸ガスが薬液シリンダ５２内に貯留された薬液を薬液投入ノズル５５に押し出す。その薬液は、薬液投入ノズル５５から画像受信装置２のモニタに表示される目標の対象部位に向かい噴出して散布する。  
本実施形態に適応する薬液は、治癒するための薬剤だけではなく、例えば、ＭＲＩ診断用の造影剤や抗がん剤など様々な薬品に対しても適用することができる。
【００７４】
更に、カプセル本体５に、ｐＨセンサ又はケミカルセンサを備える。これらのセンサを用いて、画像による判断だけではなく、ｐＨセンサ又はケミカルセンサの検出結果に基づき、薬液の投入タイミングを図ってもよい。投入タイミングは、ｐＨセンサ又はケミカルセンサの検出結果に対して、予め判定値を設定しておくことで、自動投入も可能である。例えば、ｐＨセンサを用いると、カプセル装置５１が消化器内容物のｐＨが低い胃内部からｐＨの高い十二指腸に移動した時に、検出されたｐＨの値が判定値を越えたならば、薬液を投入することも可能である。
【００７５】
また、サンプリング機能部は、ドラッグデリバリ機能部の構成を利用することができる。つまり、サンプリング機能部は、薬液シリンダ５２を空にして、圧縮炭酸ガスタンク５４内を真空状態にすることで、消化管内の気体と消化器内容液の採取を行うことができる。
【００７６】
内視鏡機能部とサンプリング機能部を備えるカプセル装置５１は、生体内で撮影された任意の画像を外部から観察して、目標位置で外部から電磁バルブ５３を開くように指示する。電磁バルブ５３が開くと、圧縮炭酸ガスタンク２１の真空状態による負圧を解消するように、薬液投入ノズル５５から消化器内の気体と液体が薬液シリンダ５２に引き込まれて貯留される。引き続き、カプセル装置５１の内視鏡機能部を動作させて、画像を取得する。勿論、その後の画像の取得を行わずに、そのまま体外に排出させてもよい。
【００７７】
以上のように、第６の実施形態のカプセル装置によれば、生体に投与された後、内視鏡機能部により取得された画像を観察しながら、所望する目標の対象部位に向いた際に、電磁バルブ５３を開くことにより、薬液をその対象部位に噴出することができる。更に、同じ構成において、圧縮炭酸ガスタンク２１を真空状態にし、薬液シリンダ５２を空にしておくことにより、所望する位置で、電磁バルブ５３を開くと、周囲の消化器内の気体と液体がカプセル本体内部に引き込まれ、結果として薬液シリンダ内に消化器内の気体と溶液が採取できる。
【００７８】
また、ドラッグデリバリ機能部は、本実施形態の電源システムを採用することにより、従来構成のカプセル装置における電池収納スペースが空くため、そのスペースに実装させることにより、カプセル装置の大きさを変えずに実現することができる。  
尚、本実施形態においては、サンプリング機能部とドラッグデリバリ機能部のいずれか１つを搭載した形について説明したが、これらを共に搭載する構成であってもよい。また、実施形態では、ドラッグデリバリ機能部が薬液を噴出する構成であったが、粉薬を噴出する構成であってもよい。
【００７９】
更に、図１２においては、ドラッグデリバリ機能部の薬液投入ノズル５５は、開口したままの状態を示しているが、不要な消化器内容物等の侵入を防止するために、ノズル口に薬液噴出又は真空吸い込みで破砕する薄膜を設けてもよいし、開閉する蓋を設けてもよい。
【００８０】
第６の実施形態のサンプリング機能部は、低侵襲且つ、撮影箇所で直に消化器内部の気体をサンプリングしている。しかし、周知な技術においては、低侵襲且つ、撮影箇所で直に消化器内部の気体をサンプリングすることはできなかった。また、肛門からの気体のサンプリングでは、消化器内を消化器内気体が移動するときにその組成が変化してしまう可能性があった。従って、本実施形態のカプセル装置による新たなサンプリング手法は、生体に切開等の損傷を全く与えずに、最も適正な被検体を取り出すことができ、新規な診断法を提供することができる。
【００８１】
以上説明した本発明の電源システムは、前述した各実施形態及び各変形例の構成を適宜組み合わせて及び、一部の構成部位の排除や変形を含み、容易に実施できることは当然である。また、本実施形態のカプセル装置は、単体で使用されることには限定されず、他の検査装置又は医療機器と組み合わせて使用することも可能である。例えば、レントゲン装置などを併用して、カプセル装置により得られた画像の撮影位置の特定など、必要に応じて用いてもよい。尚、前述した第１乃至第６の実施形態及び第１乃至第４の変形例において、カプセル本体の外壁面に形成する電極（電極対）は、電極表面が外に向かって露呈した状態で形成され、前述した第３の特許文献の構成のように、電極を対向させてケース内に収めた構造ではなく、カプセルの本体内及び外壁において、電極表面が対向する配置は含んでいない。
【００８２】
［第７の実施形態］  
次に、第７の実施形態に係るカプセル装置１に設けられる電源システムについて説明する。  
この電源システムは、前述した第１の実施形態における図１Ｂに示すカプセル本体５と同等の構成を成し、電極材料が異なり、電極の周囲にある消化器内容物として、腸液を電解液に用いて、発電するシステムである。
【００８３】
カプセル本体５の外壁面上に設けられて全てが露呈する、材質の異なる金属からなる少なくとも２つの電極２，３と、これらの電極２，３が発生させた起電力から予め定めた定電圧の電源を生成する電源部６と、で構成される。
【００８４】
この電源システムの発電部としては、電極２，３と、電極の周囲にある消化器内容物（腸液）７を電解液として用いれば、図２に示すようなボルタ電池と称される公知な電池構成となる。このボルタ電池を利用する電極２，３の間に発生した起電力を用いて、電源部６がカプセル装置１内の前述した各構成部位に電源として供給する。
【００８５】
一般的に、ボルタ電池の起電力は、これらの２種類の異なる金属からなる電極の標準電極電位の差で決定される。本実施形態では、陰極となる電極２には、両性金属であるアルミニウム（アルミ合金も含む）を選定している。これは、陰極としては、アルカリ金属やアルカリ土類金属が好適するが、投与された生体に与える影響が小さくなければならないことや、酸性である胃の内部でも、塩基性である十二指腸内部でも発電可能な電極であることが必要である。
【００８６】
一方、通常のボルタ電池では、陽極となる電極３で水素イオンの還元反応が支配的であるが、この反応に伴う水素の発生は、電極上に付着していることで発電電流減少の一因となるだけでなく、腸内でのガスの発生源となりうる。これを防ぐために、本実施形態では、バイオ・ボルタ電池として、電極と腸液内の物質を利用して発電を行なう発電部を提案する。
【００８７】
電極３上で触媒作用により水素イオンを用いて腸内物質を水素付加的に還元する。この反応では水素イオンの還元反応よりも大きな発電電流を得ることができる。この反応を効率的に行なうため、電極は、広い表面積を持つことが望ましく、また生体に対して安全性を有していなければならない。
【００８８】
このような要請を満たす電極として最適であるのは炭素電極である。炭素電極に用いる炭素材料は、導電性が高ければ特に限定する必要は無いが、具体例としては、アセチレンブラックやケッチェンブラック（商品名：ライオン）に代表される導電性カーボンブラック、カーボンブラックとアモルファスカーボンのコンポシット、グラファイト、カーボンファイバー、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン又は、それらの混合物やそれらをカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性のある基材に散布したものを採用することができる。
【００８９】
電極３の炭素電極に触媒作用を持たせるために、炭素電極には貴金属を担持する。担持する貴金属は、投与された生体への安全性と反応の特性を考慮すると、金、白金、パラジウム、ロジウム、銀が好適する。
【００９０】
本実施形態のカプセル装置は、主に腸で作動するための電源システムを搭載している。  
この電源システムは、カプセル装置１の外壁面に、陰極として作用するアルミニウムで構成された電極２と、陽極として作用するＰｔ担持カーボン電極３とによる電極対を形成し、消化器内容物を電解物（電解液）とするボルタ電池を構成する。
【００９１】
このカプセル装置内部には、電源部６が配置され、それぞれの電極２，３とは、配線４ａ，４ｂにより接続されている。これらの配線４ａ，４ｂは、カプセル装置の内壁に露呈する電極２，３の一部分に溶着（又は、半田付け）して接続する。電源部６は、一般的な回路構成、例えば、増幅回路及び定電圧回路（又は、定電流回路）が１チップ上に集積形成された集積回路である。尚、出力を安定させるために、入力側にバッファとして機能するキャパシタ（電荷蓄積素子）を配置してもよい。
【００９２】
この電極内面側の露呈部分は、カプセル５ｂを内側から孔を空けて露呈させることができる。例えば、予めカプセル５ｂの電極形成領域内で外側から穴（有底孔）又は溝を切削しておき、この穴を埋めるようにスパッタリング成膜等により電極を形成する。電極２,３のサイズは、例えば、カプセル装置１の大きさがφ１１ｍｍ×長さ２６ｍｍであれば、各々１０×１０ｍｍ程度で形成する。その後、カプセル５ｂの内側から薄い底部分を削り取ることで、容易に露呈させることができる。
【００９３】
他の方法としては、このカプセル５ｂの内側に隙間無く嵌合する型を作成する。カプセル５ｂの形成時に電極形成予定のエリア内で少なくとも１つの貫通孔を開けた後、型をカプセル内側に嵌合する。その後、外側から孔が埋まるように電極を形成し、その型を引き抜けば、カプセル内側に電極が露呈している。
【００９４】
このような構成の電源システムは、消化器内容物７を電解液としたバイオ・ボルタ電池を構成し、電極２では、Ａｌ→Ａｌ３+ + ３ｅ−の酸化反応が起こり、電極３では、腸液に含まれる生体物質をAとすると、Ｈ＋＋Ａ＋ｅ−→ ＨＡのように消化器内容物７が触媒的に還元反応することで起電力が生ずる。電極３で還元反応する物質としては、例えば、タウロコール酸のような腸液に多く含まれる物質があげられる。
【００９５】
これらの電極２，３は、カプセル本体５の外壁面上に露呈し、消化器内容物に浸漬していればよく、各種の変形、変更が可能である。例えば、電極２，３は、カプセル本体５の外面に作られた窪みや突起物に埋め込む場合には、その表面に露呈するように形成されていれば、別段の制限は無い。
【００９６】
また、電極２，３の表面積は、カプセル装置１が必要とする電流の量によって設計すればよい。現在、実用化されているカプセル装置を例とする消費電力であれば、電極面積は、それぞれ０．２５〜２ｃｍ２で充分である。更に、大きな電流量が必要であれば電極表面積をより広くすればよい。実用化されているカプセル装置あれば、合計で最大面積６ｃｍ２程度までの電極を形成することが可能である。さらに、電極２は表面に凹凸を設けることや、フォームドアルミ等の多孔性アルミニウムを用いることでさらに大きな面積を提供することが可能である。
【００９７】
このような本実施形態のアルミニウム電極からなる電極２と、Ｐｔ担持カーボン電極からなる電極３は、発電量と発電耐久性について説明する。  
まず、発電量と発電耐久性を調べるため、人工腸液に電極２，３を浸漬し、例えば、４８Ωの負荷をかけ、８時間の発電量の測定を行なう。尚、この負荷４８Ωは、乾電池の製造工程における品質確認を行なう際の負荷に準じる数値である。また、測定時間を８時間と設定したのは、カプセル装置を飲み込んだ後、胃から腸を通過して体外に排出されるまでの想定時間である。
【００９８】
図１３は、本実施形態の電極２，３による経過時間に対する発電電流を示す図であり、図１４は、電極２，３による経過時間に対する発電電圧の特性を示す図である。  
図１３に示すように、発電初期から２時間までは、急に減少するが、以降８時間経過までは、Ａｌ電極面積１ｃｍ２あたり１ｍＡの電流量の発電が安定して行なわれている。また、図１４に示すように、発電電圧も８時間経過で劣化は無く、１．５Ｖの電圧を維持している。
【００９９】
また、図１５は、電極２，３の電極面積と発電電流との関係を示している。この結果から、電極面積と発電電流は比例関係にあり、電極面積を増やすと、それに比例して発電電流も大きくなる。よって、必要な電流量に応じて電極面積を増加させることで発電電流量を増加させることができる。
【０１００】
［比較例］  
図１６及び図１７は、本実施形態の電極２，３に対する比較例の経過時間に対する発電電流と発電電圧の特性を示している。図１６は、本実施形態の電極２に相当する電極にアルミニウム電極を適用し、電極３に相当する電極にＰｔ電極を適用した比較例における経過時間に対する発電電流を示している。また、図１７は、その比較例における経過時間に対する発電電圧を示している。
【０１０１】
この比較例のアルミニウム電極とＰｔ電極を人工腸液に浸漬し、前述したと同様な負荷４８Ωをかけ、８時間までの発電量の測定を行なう。測定された発電電流は、発電初期より３時間程度までは、徐々に減少し以降、８時間経過までＡｌ電極面積１ｃｍ２あたり２μＡの電流量の発電が安定して行なわれている。電圧も８時間経過で劣化は小さく１．５Ｖの電圧を維持している。
【０１０２】
従って、本実施形態によるアルミニウム電極２とＰｔ担持カーボン電極からなる電極対による発電電圧は、比較例のアルミニウム電極とＰｔ電極からなる電極対による発電電圧と、共に２Ｖ〜１．５Ｖ程度の間である。しかし、本実施形態による発電電流は、比較例の発電電流に比べて、３桁大きい電流値を得ることができる。即ち、本実施形態は、電極面積を確保することにより、より実用段階にある。
【０１０３】
［第８の実施形態］  
第２の実施形態における電源システムについて説明する。  
本実施形態は、電源システムにおける電極として、アルミニウム電極からなる電極２と、ＡｕＰｔ担持カーボン電極からなる電極３による構成を成す。以下に、この電極構成における発電量と発電耐久性について説明する。  
これらの電極２，３を人工腸液に浸漬し、負荷４８Ωをかけ、発電初期から８時間までの発電量の測定を行なう。図１８は、本実施形態の電極２，３による経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【０１０４】
図１８に示すように、発電初期より約３時間までにＡｌ電極面積１ｃｍ２あたり、４ｍＡから２ｍＡ程度に減少し、以降、８時間経過まで０．５ｍＡ以上の電流量の発電が安定して行なわれている。最大発電電流は、４ｍＡであった。発電電圧においても、前述した第１の実施形態と同様に、８時間経過までは、電圧降下等の劣化はなかった。  
本実施形態の電源システムによれば、電極面積を確保することにより、実用段階にある。
【０１０５】
［第８の実施形態の変形例］  
また、この構成において、発電電流の減少は、陽極に生じた気泡又は、Ａｌ電極表面の酸化等の何らかの原因により、実際に発電に寄与する電極面積の減少が想定される。尚、図１３乃至１５及び図１８に示した測定においては、容器内の人工腸液に電極２，３を差し入れて浸漬している。そのため、実際の生体に投与されて、流下による常に新たな消化器内容物７と接しているものではない。また、電極に気泡や酸化膜が生じた場合でも、それらを除去する動作は行われていない。
【０１０６】
そこで、本変形例では、一定の発電電流を得るために、所定時間毎に予め定めた電極を追加して電極面積を追加して、発電に寄与する電極面積が減少しないようにして発電を行なう。  
図１９は、発電初期時のアルミニウム電極面積が０．５ｃｍ２であった場合に、発電開始から２時間毎に０．５ｃｍ２のアルミニウム電極を追加して、発電を行なった時の発電電流の特性を示す図である。
【０１０７】
この例では、発電初期のアルミニウム電極面積は、０．５ｃｍ２であり、８時間後は２ｃｍ２に増加されている。アルミニウム電極の面積を時間ごとに増加させることにより、増加直後は、発電電流が発電初期の電流値に復帰していることが分かる。全体的に見ても、電流量は発電初期から８時間経過後まで、平均値として、３ｍＡの出力を安定して供給している。従って、発電開始後、定期的に電極を追加することで、発電初期の電流値に戻すことができ、ある値以上の発電電流を継続的に得ることができる。
【０１０８】
また、電極面積を定期的に増加させる手法としては、例えば、厚さの異なるゼラチン材料からなる薄膜（ゼラチン膜）で、電極表面を覆う。ゼラチン膜が腸内で時間差を持って溶けて、新たな電極表面を消化器内容物７の電解液に定期的に露呈させることができる。
【０１０９】
［第９の実施形態］  
第９の実施形態における電源システムについて説明する。  
本実施形態は、電源システムにおける電極として、アルミニウム電極からなる電極２と、Ａｕ担持カーボン電極からなる電極３による構成を成す。以下に、この電極構成における発電量と発電耐久性について説明する。  
これらの電極２，３を人工腸液に浸漬し、負荷４８Ωをかけ、発電初期から８時間までの発電量の測定を行なう。図２０は、本実施形態の電極２，３による経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【０１１０】
図２０に示すように、発電初期より３時間程度までは、徐々に減少し以降、８時間経過までＡｌ電極面積１ｃｍ２あたり０．５ｍＡの電流量の発電が安定して行なわれている。最大発電電流は、３ｍＡであった。電圧も８時間経過で劣化はなかった。本実施形態の電源システムによれば、電極面積を確保することにより、実用段階にある。
【０１１１】
［第１０の実施形態］  
第１０の実施形態における電源システムについて説明する。  
本実施形態は、電源システムにおける電極として、アルミニウム電極からなる電極２と、ＰｄＰｔ担持カーボン電極からなる電極３による構成を成す。以下に、この電極構成における発電量と発電耐久性について説明する。  
このＰｄＰｔ担持カーボン電極は、これまで燃料電池の電極として略利用されていないが、バイオ・ボルタ電池に対して、２種類の貴金属を利用することで、起電力や電池寿命の長寿化に寄与して、性能が改善される。特に、２種類の貴金属の組み合わせにおいては、ＰｄとＰｔとの組み合わせが好適する。
【０１１２】
これらの電極２，３を人工腸液に浸漬し、負荷４８Ωをかけ、発電初期から８時間までの発電量の測定を行なう。図２１は、本実施形態の電極２，３による経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【０１１３】
図２１に示すように、発電初期より３時間程度までは、徐々に減少し以降、８時間経過までＡｌ電極面積１ｃｍ２あたり１．５ｍＡの電流量の発電が安定して行なわれている。最大発電電流は７ｍＡであった。電圧も８時間経過で劣化はなかった。本実施形態の電源システムによれば、電極面積を確保することにより、実用段階にある。
【０１１４】
［第１１の実施形態］  
第１１の実施形態における電源システムについて説明する。  
本実施形態は、電源システムにおける電極として、アルミニウム電極からなる電極２と、Ｐｄ担持カーボン電極からなる電極３による構成を成す。以下に、この電極構成における発電量と発電耐久性について説明する。  
これらの電極２，３を人工腸液に浸漬し、負荷４８Ωをかけ、発電初期から８時間までの発電量の測定を行なう。図２２は、本実施形態の電極２，３による経過時間に対する発電電流の特性を示す図である。
【０１１５】
図２２に示すように、発電初期より３時間程度までは、徐々に減少し以降、８時間経過までＡｌ電極面積１ｃｍ２あたり０．３ｍＡの電流量の発電が安定して行なわれている。最大発電電流は、３．５ｍＡであった。電圧も８時間経過で劣化はなかった。
【０１１６】
［第１２の実施形態］
前述した第７乃至第１１の実施形態の電源システムの電極の構造において、発電初期は、実用レベルにある発電電流を得ることができるが、時間の経過と共に、その発電電流値が小さくなる傾向がある。その原因は、消化器内容物７の電解液に接する電極表面が変化し、発電に寄与していない状態になっている場合と、電極に接している消化器内容物７の電解液が流動せず停留し、同じ電解液が接した状態となっているため、適正な発電が行われていない場合が考えられる。
【０１１７】
電源システムを搭載するカプセル装置が腸内を流下することが前提であるため、カプセル本体５の外面上に形成される電極対（電極２，３）は、常に新たな消化器内容物７の電解液と接触することが想定される。従って、電極対は、消化器内容物７の電解液に対する流動が生じるため、問題とはならない。
【０１１８】
本実施形態の電極対は、図２３に示すように、同じ構造の積層構造電極６１，６２を有している。積層構造電極６１，６２を形成している電極材料は、前述した第７乃至第１１の実施形態に記載される材料の組み合わせを用いている。
【０１１９】
積層構造電極６２は、複数の電極片６３ａ乃至６３ｅと、これらの電極片の間に介在する極薄のゼラチン材料からなる薄膜（ゼラチン膜）６４ａ乃至６４ｅとの積層構造を成している。複数の電極片６３ａ乃至６３ｅは、介在するゼラチン膜６４ａ乃至６４ｅを消化器内容物７の電解液により溶解するように、小孔が多数開口された薄膜又は、メッシュ形状に形成されている。従って、電極片６３ａ乃至６３ｅを電極の表面積を得るために、平坦な形状でなくとも良い。
【０１２０】
また、各電極片６３ａ乃至６３ｅは、共通配線６５により電気的に接続されている。この共通配線６５は、カプセル本体内に導出され、配線６７により電源部６に接続され、発電した電流（電圧）を電源部６に入力している。また、本実施形態においては、それぞれの層のゼラチン膜６４ａ乃至６４ｅが完全に溶解するまでに、残留するゼラチン膜により露呈する電極面積が少なくなり、発電量が減少することが懸念されるため、キャパシタ６６を設けることにより、その減少期間における電源の安定供給に機能する。
【０１２１】
このように構成された積層構造電極６１，６２は、図２４Ａ乃至２４Ｄに示すように、カプセル本体５の外壁面上に形成される。図２４Ａにおいて、マスク６８が形成された外壁面上に均一な膜厚を有する第１電極片６３ａを形成する。第１電極片６３ａは、カプセル本体５に開口された孔を埋め込むように形成され、孔に形成された部分は、図示しない下部電極の引き出し線となる。
【０１２２】
次に、図２４Ｂに示すように、共通配線６５となるスペースを空けて、第１ゼラチン膜６４ａを形成する。この第１のゼラチン膜６４ａは、例えば、プリント技術を用いて印刷形成して、その後、硬化させて形成することができる。以下同様に、図２４Ｃ，２４Ｄの手順で、積層形成する。
【０１２３】
形成された積層構造電極６１，６２は、後述するように、別途作製して、カプセル本体５に貼り付けても良いし、外壁面上に直接形成してもよい。また、最上層のゼラチン膜は、発電が腸に達する時点から開始されるように、その膜厚が調整されている。このゼラチン膜の調整により、カプセル装置１は、積層構造電極６１，６２が胃液に接触せずに十二指腸や小腸に到達し、発電を開始することができる。
【０１２４】
積層構造電極６１，６２が形成されたカプセル装置は、腸を流下する際に、最上層の電極片６３ｅが露呈して、発電を開始した後、ある期間経つと、下層のゼラチン膜６４ｄが溶解する。電極片６３ｅは、浮き上がり、共通配線６５から切り離されて、次の電極片６３ｃが露呈して、発電を開始する。切り離された電極片６３ｅは、小片の固形物であり、その後、体外に排出されるため、残留による周囲への影響はない。
【０１２５】
以降、露呈している電極片６３の下層のゼラチン膜６４が溶解する毎に、その時、露呈していた電極が切り離されて、順次、新たな電極表面が露呈することとなるため、前述した図１９に示したように、新たな電極を追加していることと同等の作用となり、発電量の減少を防止して、発電初期の発電量に近い実用レベルの出力を得ることができる。
【０１２６】
図２５Ａ乃至２５Ｇは、積層構造電極６１，６２の製造工程の一例を示す図である。この例では、１枚の電極膜（例えば、Ｐｄ担持カーボン膜）を形成し、切断して積み重ねて積層構造電極を形成し、カプセル本体に接着する例を示している。ここでは、前述した第７の実施形態におけるアルミニウム電極６１とＰｄ担持カーボン電極６２との組み合わせを例としている。
【０１２７】
まず、図２５Ａに示すように、公知な製造技術により、複数の電極の面積に相当する大判なＰｄ担持カーボン薄膜６３を形成する。次に、図２５Ｂに示すように、Ｐｄ担持カーボン薄膜６３の両側端が露呈しているように残して、予め定めた厚さのゼラチン膜６４を形成する。その後、図２５Ａの破線に示す位置で切断して、電極片６３ａ乃至６３ｅを作製し、図２５Ｃに示すように、複数段に積み重ねる。
【０１２８】
次に、図２５Ｄに示すように、その積み重ねられている電極片６３ａ乃至６３ｅの両側端を上下から挟み込んだ状態で、ゼラチン膜６４ａ乃至６４ｄの表面を溶かした後、再度、凝固させて、電極片６３ａ乃至６３ｅを互いに接着させる。その後、図２５Ｅに示すように、両端にメッキ等の手法を用いて、電極片両側端を含むように共通電極６５を形成し、点線Ａ示す中央で切断する。
【０１２９】
さらに、図２５Ｆに示すように、カプセル本体５に形成した、配線６７で電源部６に繋がる下地電極６８に電極片６３ａ乃至６３ｅを電気的に導通するように接着する。この時、少なくとも共通配線６５が下地電極６９に電気的に接続されればよい。
【０１３０】
図２５Ｇに示すように、電極片６３ａ乃至６３ｅを固着した後、この電極片６３ａ乃至６３ｅを覆うように、ゼラチン膜７０を形成する。ゼラチン膜７０の厚さは、前述したように、胃液に接触せずに十二指腸や小腸に到達した直後から発電を開始する厚さであり、経験的に得ることができる。
【０１３１】
尚、アルミニウムからなる積層構造電極６１においても、同様な製造方法を用いてもよいし、公知な半導体成膜技術、例えば、蒸着又はＣＶＤを用いてもよい。また、本実施形態のゼラチン膜は、他の材料により代用することも可能である。例えば、ゼラチン以外にも、でんぷん、寒天又は、糖などを材料とする薄膜でもよく、生体等の検査対象に無害（無毒）であり、且つ消化器内部で溶解又は分解されるものであれば、特に制限されずに用いることができる。
【０１３２】
尚、本実施形態では、電極片が上層から露呈し、その後、切り離される積層構造電極であったが、切り離されない階層構造電極であってもよい。即ち、電極片の各層を複数の支柱でそれぞれに接続した階層構造を成し、その層間をゼラチンで埋めて、側面にゼラチンが露呈した階層構造電極を形成する。腸内では、ゼラチンが階層構造電極の側方から溶解して無くなり、電極の表面積が経時と共に増加する構成であってもよい。この階層構造であれば、各層の電極片の裏面側も発電に寄与する電極面となる。
【０１３３】
以上説明した各実施形態は、以下の発明を含んでいる。  
（１）耐酸性を有する水密なカプセルと、  
カプセル外壁面に露呈するように設けられた、標準電極電位の差を有する２種類の異なる部材からなる少なくとも１つの電極対と、  
前記電極対と任意の距離を離間して該電極対を覆い、前記消化器内容物を保持する保持部材（１３，１４）と、  
前記カプセル内に配置され、前記電極対と接続して起電した電源を取り出し出力する電源部と、を備えて、  
前記消化器内容物を電解質溶液としたボルタ電池として構成されていることを特徴とする電源システム。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2011092936.tif 000009
【図６】
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【図７】
2011092936.tif 000011
【図８】
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【図９】
2011092936.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
2011092936.tif 000022
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【図２５Ａ】
2011092936.tif 000032
【図２５Ｂ】
2011092936.tif 000033
【図２５Ｃ】
2011092936.tif 000034
【図２５Ｄ】
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【図２５Ｅ】
2011092936.tif 000036
【図２５Ｆ】
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【図２５Ｇ】
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【図２６】
2011092936.tif 000039
【図２７】
2011092936.tif 000040
【国際調査報告】
2011092936.tif 000041
2011092936.tif 000042
2011092936.tif 000043
2011092936.tif 000044